栗培龍 張爭奇 李洪華 王秉綱

(長安大學(xué)公路學(xué)院特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室 西安 710064)

車轍是我國高等級公路瀝青路面的主要損壞類型之一,當(dāng)前主要采用國產(chǎn)車轍儀評價瀝青混合料的抗車轍性能,對評價指標及其有效性有待商榷[1-2].漢堡車轍儀可以進行不同溫度的干式和浸水、板式和圓柱試件的試驗,是瀝青路面車轍成因分析和瀝青混合料高溫性能評價的有效工具,但其試驗條件和評價指標仍存在爭議[3-4].美國科羅拉多州的有關(guān)研究認為,應(yīng)根據(jù)瀝青的PG分級分別選用40,45,50,55℃的試驗溫度,判斷標準均要求作用20 000次的最大車轍深度不大于10 mm;而德克薩斯州的試驗溫度均50℃,但要求達到12.5 mm車轍深度時的最小次數(shù)不同[5].本文利用從美國引進的漢堡車轍儀進行不同試驗條件下的車轍試驗,分析水環(huán)境和溫度對車轍產(chǎn)生的影響,提出抗車轍性能的合理評價指標,為漢堡車轍儀的推廣應(yīng)用及瀝青混合料高溫性能評價提供參考.

1 試驗材料和方法

采用中海36-1基質(zhì)瀝青和SK-SBS改性瀝青及AC-13和AC-20兩種級配拌制AC-13J(基質(zhì))、AC-13G(改性)、AC-20J(基質(zhì))、AC-20G(改性)4種混合料.瀝青性能指標和集料級配如表1和表2所列.

表1 瀝青基本指標

瀝青混合料是一種感溫性極強的粘彈性材料,溫度越高,瀝青混合料的勁度模量越低,越容易產(chǎn)生車轍.同時,水也是影響瀝青混合料性能的重要因素[6].漢堡車轍儀可以提供不同溫度的浸水和干式試驗環(huán)境,何種試驗條件和評價指標更適合評價瀝青混合料的高溫性能仍有待進一步研究 .為此,本文將上述4種混合料分別進行50℃水浴、60℃水浴和60℃空氣浴的漢堡車轍試驗,分析不同條件下瀝青混合料的車轍拓展特性,提出合理的評價混合料高溫性能的漢堡車轍試驗條件,分析現(xiàn)有漢堡車轍試驗評價指標的不足,討論以車轍變形率作為評價指標的可行性.

表2 瀝青混合料級配

2 漢堡車轍試驗條件分析

2.1 不同條件下的車轍拓展特性

4種混合料不同條件下的車轍試驗結(jié)果如表3～表5所列.

表3 50℃水浴混合料的車轍深度 mm

表4 60℃水浴不同瀝青混合料的車轍深度 mm

表5 60℃空氣浴不同瀝青混合料的車轍深度 mm

分析表3～表5試驗數(shù)據(jù)可知：(1)50℃水浴、60℃水浴和60℃空氣浴3種試驗條件下瀝青混合料的高溫性能按車轍深度大小排序趨于一致,即AC-20J＞AC-13J＞AC-13G＞AC-20G,可見改性瀝青可以提高瀝青混合料的高溫性能.對于不同級配的瀝青混合料,公稱最大粒徑并不是影響車轍深度的決定因素;(2)50℃水浴條件下當(dāng)行走次數(shù)大于3 000時,排序規(guī)律趨于一致,而60℃水浴和60℃空氣浴條件下的次數(shù)分別為8 000次和5 000次,因此,水和溫度都是影響車轍結(jié)果的重要因素,只有當(dāng)測試次數(shù)足夠時才能消除壓密對測試結(jié)果的影響,準確反映出混合料的抗車轍性能;(3)60℃水浴的試驗條件對于基質(zhì)瀝青混合料過于苛刻,試驗時很快出現(xiàn)破壞,水的影響明顯,水損壞嚴重,而不能真實反映混合料的高溫抗車轍性能,也就是60℃水浴的試驗條件不能用來評價基質(zhì)瀝青混合料的高溫抗車轍性能.

2.2 水和溫度對車轍試驗結(jié)果影響

由圖1可以得出：(1)4種瀝青混合料的車轍發(fā)展趨勢的排序一致,按車轍深度大小排序是：60℃水?。?0℃空氣?。?0℃水浴;(2)溫度對車轍的發(fā)展影響很大.在50℃水浴條件下,各種瀝青混合料的車轍發(fā)展平緩,車轍比較小,但在60℃水浴條件下產(chǎn)生了嚴重的車轍,特別是基質(zhì)瀝青混合料的車轍發(fā)展很快,在10 000次左右就發(fā)生破壞(最大深度超過20 mm);(3)在高溫浸水狀態(tài)下,瀝青混合料的抗車轍能力急劇下降,60℃水浴車轍曲線很快出現(xiàn)拐點,而有明顯的水損壞出現(xiàn),說明水和高溫的耦合作用對車轍有很大影響,其原因是水在瀝青混合料中起潤滑作用,降低了瀝青與礦料的粘附性,溫度越高,水的這種作用效果越明顯;(4)浸水狀態(tài)和提高溫度都對車轍有影響,但總體發(fā)展趨勢比較平緩,50℃水浴條件下無論是基質(zhì)瀝青混合料還是改性瀝青混合料都沒有發(fā)生水損壞;同時,雖然提高10℃溫度比水對車轍的影響稍大,但總體趨勢基本一致,具有一定可比性;(5)溫度越高,水對車轍的影響越明顯.在水浴條件下,在60℃時試驗數(shù)據(jù)有明顯的拐點,基質(zhì)瀝青混合料的拐點發(fā)生在5 000次左右,改性瀝青混合料的拐點發(fā)生在10 000次左右,同時也說明改性瀝青可以提高混合料的抗車轍性能.

圖1 不同條件下混合料車轍比較

2.3 不同試驗條件的對比分析

綜合以上分析,水和溫度是影響車轍試驗結(jié)果的2個主要因素,水環(huán)境和提高溫度都將加快車轍發(fā)展.由圖2可知,50℃水浴和60℃空氣浴條件下的車轍深度相關(guān)性很好,相關(guān)系數(shù)在0.93以上,50℃水浴條件下的車轍略小,但總體趨勢兩者一致,因此可以認為50℃水浴條件下的漢堡車轍試驗基本可評價瀝青混合料的高溫抗車轍性能,從而可知漢堡車轍試驗把試驗溫度定為50℃具有合理性.

圖2 2種試驗條件下車轍深度的相關(guān)性

但是,50℃水浴條件下兩種改性瀝青混合料的區(qū)分度很小,例如20 000次時的車轍深度AC-13G為2.56 mm,AC-20G為2.47 mm,2個值很接近,基本在試驗誤差范圍內(nèi),而60℃水浴條件下兩者的車轍深度相差3.46 mm,可以明顯區(qū)分兩者的高溫性能,如圖3所示.因此用50℃水浴條件來評價改性瀝青混合料的抗車轍性能有一定的局限性,如果要準確區(qū)分它們的性能,應(yīng)適當(dāng)提高試驗溫度.

圖3 2種溫度水浴車轍深度

綜上所述,漢堡車轍試驗50℃水浴條件基本可以用來評價瀝青混合料的高溫抗車轍性能,而且有水的存在也不一定出現(xiàn)水損害.但應(yīng)該針對不同的瀝青混合料選用不同的試驗溫度,以準確區(qū)分出瀝青混合料的高溫性能,盡量避免水的影響.針對我國的瀝青使用情況,建議B級瀝青采用45℃,A級瀝青采用50℃,改性瀝青采用60℃的試驗溫度,具體評價標準的確定則需要進行更深入的研究.

3 漢堡車轍試驗評價指標

3.1 現(xiàn)有評價指標

目前,漢堡車轍試驗的評價指標有車轍深度、蠕變速率(creep slope)、剝落點(SIP)以及剝落速率(stripping slope)[7].通常用車轍深度和蠕變速率評價瀝青混合料的高溫性能,但分析認為這兩個評價指標存在以下不足.

1)當(dāng)車轍發(fā)展較快時,車轍深度難以統(tǒng)一評價瀝青混合料的高溫性能.如圖4所示,有些混合料很快就破壞,無法經(jīng)受較大的荷載次數(shù),這樣就無法用20 000次的車轍深度來評價瀝青混合料的高溫性能,必須采用較小作用次數(shù)的車轍深度來統(tǒng)一評價.但是,采用較小荷載次數(shù)的車轍深度可能會出現(xiàn)矛盾的結(jié)論,如5 000次的車轍深度AC-13J小于AC-13G,而8 000次的車轍深度二者卻相反.

圖4 60℃水浴條件下的漢堡車轍深度

2)蠕變速率對瀝青混合料的高溫性能區(qū)分度低.由前文分析,3種試驗條件下車轍深度排序為均趨向于3＞1＞2＞4,因此該排序能夠較準確地區(qū)分4種瀝青混合料的高溫性能.但分別用計算法和回歸法得到的蠕變速率排序并不一致(見表6),規(guī)律性不明顯,不能區(qū)分不同瀝青混合料的高溫性能.

表6 瀝青混合料的蠕變速率 次/mm

此外,同一組試驗數(shù)據(jù)采用計算法和回歸法得到的蠕變速率并不一致.盡管兩者的車轍深度存在差異,回歸法得到AC13J和AC20J的蠕變速率均為5 000次/mm,可見蠕變速率評價抗車轍性能存在局限性,只能作為輔助指標來評價瀝青混合料的高溫性能.

3.2 車轍變形率指標

如前所述,漢堡車轍試驗的車轍深度和蠕變速率指標在評價瀝青混合料高溫性能的過程中存在不足.本文提出“車轍變形率”指標評價瀝青混合料的高溫性能,車轍變形率按式(1)計算.

4種混合料不同試驗條件下的車轍變形率如表7所列,不同試驗條件下瀝青混合料高溫性能的排序均為3＞1＞2＞4,這和前文車轍深度最終排序是一致的,可見車轍變形率可以體現(xiàn)瀝青混合料的高溫抗車轍性能.車轍變形率計算過程中考慮了最大車轍深度,能夠簡單有效地橫向比較瀝青混合料的高溫抗車轍性能,方便和其他性能指標建立聯(lián)系,因此建議將車轍變形率作為漢堡車轍試驗的一個主要評價指標.

表7 不同試驗條件下的車轍變形率

4 結(jié) 論

1)通過空氣浴、水浴的車轍試驗和不同溫度的車轍試驗可知,水和提高溫度都會加劇車轍的產(chǎn)生,但各種試驗條件下的車轍發(fā)展趨勢是一致的,具有一定的可比性.

2)50℃水浴和60℃空氣浴條件下的車轍深度有良好的相關(guān)性,50℃水浴條件下的試驗可以反映瀝青混合料的抗車轍性能.但同時應(yīng)該針對不同瀝青混合料選用不同的試驗溫度,以準確區(qū)分出瀝青混合料的高溫性能.針對我國的瀝青使用情況,建議B級瀝青采用45℃,A級瀝青采用50℃,改性瀝青采用55℃或60℃的試驗溫度,合理的試驗溫度仍有待進一步研究.

3)分析了漢堡車轍試驗的車轍深度和蠕變速率的不足,提出了車轍變形率指標,經(jīng)分析認為車轍變形率指標考慮了最大車轍深度,能夠簡單有效地橫向比較瀝青混合料的高溫抗車轍性能,可以作為漢堡車轍試驗的一個主要評價指標.

[1]彭 波,袁萬杰,陳忠達.用車轍系數(shù)評價瀝青混合料的抗車轍性能[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2005,33(12)：84-86.

[2]劉紅瑛,林 立,任 偉.瀝青混合料高溫車轍評價指標的研究[J].石油瀝青,2003,17(4)：56-59.

[3]Lu Q,Harvey J T.Evaluation of moisture sensitivity of hot mix asphalt by flexural beam fatigue test[C]// Masad E,Panoskaltsis V P,Wang Linbing.Asphalt Concrete：Simulation,M odeling,and Experimental Characterization.Reston：American Society of Civil Engineers(ASCE),2006：124-133.

[4]Aschenbrener T,Terrel R l,Zamora R A.Comparison of the hamburg wheel tracking device and the environmental conditioning system topavements of known stripping performance[R].ReportNo. CDOT-DTD-R-94-1,Colorado Department of Transportation,Denver,1994.

[5]Allen L,Cooley Jr.Loaded wheel testers in the united states：state of the practice[R].NCAT Report 00-04,2000：10-14.

[6]周 亮,栗培龍,邱 欣.飽水狀態(tài)對浸水馬歇爾試驗結(jié)果的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版,2008,32(4)：619-622.

[7]Qing L,Harvey J T.Evaluation of hamburg wheel device test by laboratory and field performance data [C]//The 85th Annual Meeting of the Transportation Research Board,Wanshington,D.C.Jan., 2006.